基于QoP与QoS融合的通信网络系统优化设计

Based on the practical problems and application requirements of communication networked system，and in view of interaction and mutual restriction of quality of performance (QoP) and quality of service (QoS) in communication networked system, in order to achieve a better performance, the QoS and QoP must be weighed and coordinated. Thus this project investigates the modeling, performance analysis and design trade-off of communication networked system by combining QoP and QoS. Firstly, we create some dynamic models which reflect the QoS parameters having some effects on QoP of the control system and conjunctive models which reflect the parameters of communication network and the performance of control system. This project reveals the internal relationship between the parameters affected by QoS and the stability of network system and the performance limitations, and the quantitative expression between them will be given. Besides，the project will study the collaborative design of controllers and communication networks by considering both QoP andQoS, and then investigate the optimal design of multivariable and multi-channel networked systems. Finally, we will build the simulation experiment platform of communication networked system by considering both the QoP and QoS. The obtained results will broaden the research contents of communication networked system, and given the theoretical and technological guidance for the extensive use of communication networked system in economy, industry, military, daily life and the other field.

本项目从通信网络系统的实际问题和应用需求出发，鉴于通信网络系统中控制性能质量(QoP)与网络服务质量(QoS)之间相互影响、相互制约，而为了获得良好的通信网络系统整体性能，必须对通信网络系统的QoP与QoS进行权衡协调，因此本项目研究基于QoP与QoS融合的通信网络系统建模、性能分析与综合权衡设计问题。首先建立反映QoS参数影响的控制系统QoP动态模型和反映通信网络参数与控制系统性能的联合模型；揭示QoS参数与网络系统的稳定性和性能极限之间的内在联系，并给出定量的表达式；基于QoP与QoS融合对通信网络系统中的控制器和网络进行协同设计，进一步基于对QoP与QoS融合的多变量多通道通信网络系统进行优化设计；最后建立基于QoP与QoS融合的通信网络系统实验仿真平台。研究成果旨在进一步拓宽通信网络系统研究内容，为加快通信网络系统在经济、工业、军事及日常生活等领域的广泛应用提供理论指导和技术支持。

智能交通、智能电网和医疗远程监控等实际应用系统都对网络系统的理论研究提出了严峻的挑战。网络服务质量的好坏直接影响着通信网络系统性能质量。因此，如何在保障网络QoS与控制系统QoP的基础上，从控制与通信的角度对通信网络系统进行合理地分析和协同设计，是亟待解决的问题。湖北师范大学和华中科技大学课题组，在国家自然科学基金面上项目“基于QoP与QoS融合的通信网络系统优化设计（编号：61471163）”的资助下，对此进行了深入研究，取得如下主要成果：.基于QoS参数（时变切换拓扑和数据丢包等）影响研究通信网络系统建模问题，并进行了滤波网络的分布式H∞状态估计。在滤波器设计中，同时考虑了时变切换拓扑，滤波器之间的部分信息交换，来自相邻滤波器的传输中的分组丢失和信道噪声。给出了系统保证均方指数稳定的一些新的充分条件。.基于QoS参数（网络带宽、数据丢包、量化、噪声、网络时延、编码-解码和能量受限等）影响研究通信网络系统性能问题。提出新的性能指标，借助通信理论、频域分析方法和谱分解技术，定量的揭示了通信网络系统性能极限与QoS参数的内在联系。为通信网络系统设计包括网络通道设计提供指导。.基于QoS参数（数据丢包和白噪声等）约束的控制器和滤波器协调设计研究通信网络系统性能问题。在通信网络系统前向通道和反馈通道同时考虑QoS限制。从频域的角度基于H2最优化理论，运用二元随机过程及高斯过程分别对数据包丢失过程及反馈通道噪声进行建模，采用部分解及内外分解的方法得到最优控制器和滤波器。.项目在实施过程中，项目组研究成员发表论文36篇，其中在SCI源刊上发表21篇，EI收14篇，申请专利16项，出版学术专著1部，获得湖北省科技进步二等奖1项，上海市自然科学奖三等奖1项，湖北省第十六届自然科学优秀学术成果二等奖1项，黄石市第四届自然科学优秀学术成果三等奖1项，并在国内外会议上交流本项目研究成果10 次，邀请国内外专家来校进行学术交流14次。培养硕士研究生3名，联合培养博士研究生3名，培养青年骨干教师4名。